Najnowsze wyniki badań współpracy Super-Kamiokande zostały przedstawione 25 czerwca 2026 roku podczas konferencji Neutrino 2026: XXXII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics, która odbyła się na Uniwersytecie Kalifornijskim w Irvine w USA.

Współpraca Super-Kamiokande (Super-K) po raz pierwszy na świecie uzyskała przesłankę wskazującą na istnienie rozproszonego tła neutrin z supernowych (Diffuse Supernova Neutrino Background – DSNB), z istotnością statystyczną 2.6σ, odpowiadającą poziomowi ufności 99,5%. Wynik ten uzyskano na podstawie szczegółowej analizy około 5000 dni danych obserwacyjnych, łączącej dane z okresu pracy Super-K wypełnionego ultra czystą wodą (3349 dni zebranych w latach 2008–2020) z danymi z okresu pracy z domieszką soli gadolinu (1653 dni zebrane od 2020 roku do chwili obecnej).

DSNB to skumulowany strumień neutrin pochodzących ze wszystkich supernowych zapadających się grawitacyjnie w całej historii naszego Wszechświata. Bezpośrednia detekcja tego sygnału była jednym z długoletnich celów eksperymentu Super-K od początku jego działania. Wynik ten stanowi ważną wskazówkę dla lepszego zrozumienia historii powstawania i śmierci gwiazd oraz nukleosyntezy we Wszechświecie.

Supernowe zapadające się grawitacyjnie są gwałtownymi zjawiskami zachodzącymi na końcowym etapie ewolucji masywnych gwiazd. Uwalniają one ogromne ilości energii w postaci neutrin. Oprócz neutrin eksplozje te rozpraszają w przestrzeń kosmiczną pierwiastki wytworzone we wnętrzach gwiazd. Uważa się, że są one głównym źródłem węgla, tlenu, krzemu, żelaza oraz innych pierwiastków, z których zbudowane są nasze ciała i otaczający nas świat.

DSNB jest strumieniem neutrin wyemitowanych przez wszystkie supernowe zapadające się grawitacyjnie w całej kosmicznej historii – od wczesnego Wszechświata aż po dzień dzisiejszy. Jednak strumień tych neutrin, docierających z ogromnych odległości, jest rozproszony, a jego sygnał niezwykle słaby, co sprawia, że ich detekcja jest bardzo trudna.

Pomiar DSNB dostarczyłby bezpośredniej obserwacyjnej metody ilościowego odtworzenia historii nukleosyntezy i powstawania gwiazd we Wszechświecie, a także umożliwiłby testowanie modeli teoretycznych. Podjęcie takiej obserwacji jest próbą wsłuchania się w „ciche szepty” wybuchów supernowych zapisane w historii kosmicznej.

Poprzednik detektora Super-K, Kamiokande, dokonał bezpośredniej obserwacji neutrin pochodzących z pojedynczej supernowej – SN 1987A. Jednak detekcja DSNB, czyli skumulowanego sygnału od odległych supernowych, pozostawała dla Super-K długoletnim wyzwaniem.

W całym Wszechświecie wybuchy supernowych zachodzą kilka razy na sekundę. Od narodzin Wszechświata neutrina emitowane przez te supernowe podróżowały w przestrzeni kosmicznej, a ich liczba wzrastała w skali czasu kosmicznego. Ten całkowity strumień neutrin nazywany jest rozproszonym tłem neutrin z supernowych (Diffuse Supernova Neutrino Background, DSNB), znanym również jako reliktowe neutrina z supernowych (Supernova Relic Neutrinos, SRN).

Super-Kamiokande jest największym na świecie podziemnym obserwatorium neutrinowym i rozpoczęło działanie w kwietniu 1996 roku. Eksperyment wykrywa światło Czerenkowa powstające, gdy neutrina oddziałują z wodą, a produkty takich oddziaływań przemieszczają się z prędkością większą od prędkości światła w wodzie. Detektor wykorzystuje zbiornik zawierający 50 000 ton ultraczystej wody oraz około 13 000 fotopowielaczy. Znajduje się 1000 metrów pod ziemią w Kamioka, w mieście Hida, w prefekturze Gifu w Japonii.

W najnowszym badaniu naukowcy przeanalizowali około 5000 dni zbierania danych, łącząc okres pracy detektora z czystą wodą (3349 dni, w latach 2008–2020) z okresem pracy z domieszką soli gadolinu (1653 dni, od 2020 roku do chwili obecnej).

Wprowadzenie soli gadolinu do ultraczystej wody w detektorze Super-K poprawiło dokładność identyfikacji sygnałów neutrin z supernowych dzięki skutecznemu rozpoznawaniu wychwytu neutronów, co znacząco zwiększyło możliwości redukcji tła.

W tej analizie, po skutecznym usunięciu tła – przede wszystkim zdarzeń neutrin atmosferycznych oraz zdarzeń spallacyjnych wywołanych przez promieniowanie kosmiczne oddziałujące z jądrami tlenu w wodzie – zespół zidentyfikował statystycznie istotną nadwyżkę sygnału w zakresie energii neutrin od 13,3 do 81,3 MeV.

Istotność tego nadmiaru wynosi 2.6σ, co odpowiada poziomowi ufności 99,5%. Chociaż sygnału tego nie można wyjaśnić jako przypadkowej fluktuacji, nie osiąga on jeszcze progu odkrycia, który wynosi ≥5σ. Dlatego obecnie określa się go jako przesłankę wskazującą na istnienie DSNB, a nie jako ostateczną obserwację.

Oszacowany strumień DSNB wynosi 3.6 ± 1.6cm⁻² s⁻¹  i jest zgodny z zakresem przewidywanym przez kilka modeli teoretycznych, na przykład z modelem Horiuchi i in. z 2009 roku dla progu 6 MeV, który przewiduje  (2.1–3.6) cm⁻² s⁻¹.

– Zaobserwowanie pierwszej na świecie przesłanki wskazującej na istnienie rozproszonego tła neutrin z supernowych jest osiągnięciem o głębokim znaczeniu i od dawna stanowiło jeden z upragnionych celów projektu Super-Kamiokande. Jednocześnie obecna istotność statystyczna wynosi 2,6 sigma, dlatego do jednoznacznej detekcji niezbędne jest dalsze zbieranie danych oraz kolejne udoskonalenia analizy. Będziemy kontynuować obserwacje w Super-Kamiokande i dążyć do uzyskania rozstrzygającego pomiaru. Mamy nadzieję, że wynik ten doprowadzi do głębszego zrozumienia kosmicznej historii powstawania gwiazd i nukleosyntezy – wyjaśnia Hiroyuki Sekiya, profesor nadzwyczajny w Instytucie Badań Promieniowania Kosmicznego Uniwersytetu Tokijskiego oraz rzecznik eksperymentu Super-K.

Obserwacje trwające obecnie w Super-K, wraz z przyszłą współpracą z następcą tego detektora – Hyper-Kamiokande – mają doprowadzić do dalszej poprawy czułości.

Oczekuje się również, że wynik ten pozwoli nałożyć silne ograniczenia na modele opisujące tempo powstawania gwiazd w kosmosie oraz nukleosyntezę. W szczególności przewiduje się, że przyczyni się on do lepszego zrozumienia procesów powstawania gwiazd neutronowych i czarnych dziur, a także chemicznej ewolucji Wszechświata.

Super-K to międzynarodowa współpraca obejmująca około 250 naukowców z 60 uniwersytetów i instytucji badawczych w Japonii, Stanach Zjednoczonych, Korei, Chinach, Polsce, Hiszpanii, Kanadzie, Wielkiej Brytanii, Włoszech, Francji i Wietnamie. Instytut Badań Promieniowania Kosmicznego Uniwersytetu Tokijskiego pełni rolę instytucji wiodącej.

Obecnie w Super-K działa ośmioro przedstawicieli z Polski, reprezentujących:

• Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: dr Magdalena Posiadała-Zezula, dr Yashwanth S. Prabhu, dr Haradhan Adhikary, Mariusz Girguś i Prithivraj Govindaraj;
• Narodowe Centrum Badań Jądrowych: dr Joanna Zalipska i dr hab. Justyna Łagoda;
• Uniwersytet Śląski: dr Lakshmi S. Mohan.